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안녕하세요. 공부를 좋아하는 습관을 만들어주는 아이스크림 홈런입니다.
이번 시간에는 중학교 2학년 1학기 과학 2. 전기와 자기 2장 전류, 전압, 저항에 대해 함께 공부하도록 하겠습니다.


2. 전기와 자기

2-1  전류와 전압

1) 전류

우리는 전기를 이용하여 전등을 켜고 텔레비전을 시청할수있으며, 이것은 전선을 따라 전류가 흐르기 때문입니다.
여기서 전류란? 전하의 흐름이며, 전자가 전지의 (-)극에서 (+)극 쪽으로 이동하면서 전하를 운반합니다.

전류의 흐름에 따른 전자의 이동


이처럼 전자는 전지의 (-)극에서 (+)극 쪽으로 이동하지만, 전류는 전지의 (+)극에서 (-)극 쪽으로 흐른다고 정하여 사용하고 있습니다.
그 이유는 과학자들이 전자의 존재를 몰랐을 때 전류의 방향에서 (+)극에서 (-)극으로 정했기 떄문입니다.

따라서 전자의 이동 방향과 전류의 방향은 반대입니다.



전류의 세기는 1초 동안 도선의 한 단면을 통과하는 전하의 양을 나타내며, 도선의 한 단면을 통과하는 전하의 양이 많을수록 전류의 세기가 세다는 것을 의미합니다.


전류의 세기를 나타내는 단위는 A(암페어)와 mA(밀리암페어)를 사용합니다.
1A = 1000Ma (1A는 1초 동안 도선의 한 단면을 6.25X10¹⁸개의 전자가 통과할 때의 전류의 세기)
 

2) 전압

전지나 콘센트에 표시된 1.5V, 220V 등은 모두 전압을 나타냅니다.
여기서 전압이란 전기 회로에서 전류를 흐르게 하는 능력을 이야기하며, 전압이 클수록 더 센 전류를 흐르게 할 수 있습니다.

전기 회로에서 전구에 전류가 계속 흐를 수 있는 것은 전지에 의해 전압이 걸리기 때문이며, 전압의 단위는 V(볼트)를 사용합니다.

이번에는 전압에 의한 전류의 흐름을 물의 높이 차에 의한 물의 흐름과 비교해보겠습니다.


 

물의 흐름	물의 높이 차	물의 흐름	물레방아	펌프	수도관	밸브
전기 회로	전압	전류	전구	전지	도선	스위치

 

3) 전류계와 전압계

전류의 세기는 전류계를, 전압의 크기는 전압계를 이용하여 측정할 수 있습니다. 전류계와 전압계에 대해 알아보겠습니다.
전류계란 전류의 세기를 측정하는 도구로 전기 회로에 직렬로 연결하고, (+)단자는 전지의 (+)극 쪽에, (-)단자는 전지의 (-)극 쪽에 연결한다.


전압계란 전압의 크기를 측정하는 도구로 전기 회로에 병렬로 연결하고, (+)단자는 전지의 (+)극 쪽에, (-)단자는 전지의 (-)극 쪽에 연결한다.


전류계와 전압계를 연결할 때 전류와 전압의 세기를 예상할 수 없다면 (-)단자 중 최댓값이 가장 큰 단자부터 연결해야 합니다.

전류계의 눈금 읽는 방법
1. 연결한 (-)단자를 확인한다.
2. 연결한 (-)단자에 따라 눈금을 읽는다.

> (-)단자가 500mA에 연결되어 있으므로 전류의 세기는 300mA입니다.

전압계의 눈금 읽는 방법
1. 연결한 (-)단자를 확인한다.
2. 연결한 (-)단자에 따라 눈금을 읽는다.

> (-)단자가 3V에 연결되어 있으므로 전류의 세기는 1.5v입니다.


 

2-2 전류와 전압의 관계

1) 전기 저항

오디오의 볼륨 스위치를 돌리면 소리가 커지거나 달라집니다. 이것은 전기 저항이 달라졌기 때문입니다. 여기서 전기 저항이란 전기 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 정도를 이야기합니다.

전기 저항이 생기는 까닭은 전류가 흐를 때 도선 내부에서 이동하는 전자들이 원자와 충돌하기 때문입니다.

구슬의 운동과 전자의 운동을 비교하면 다음과 같습니다.

구슬의 운동		전자의 운동
	구슬	전자
	못	원자
	빗면의 길이	도선의 길이
	빗면의 폭	도선의 굵기

전기 저항의 단위로는 Ω(옴)을 사용하며, 1Ω은 1V의 전압을 걸었을 때 1A의 전류가 흐르는 도선의 저항을 말합니다.

전기의 저항은 물질마다 원자들의 배열 상태가 달라 원자와 전자가 충돌하는 정도가 다르기 떄문에 물질의 종류에 따라 달라집니다.

또한, 같은 물질로 이루어진 도선이라도 길이와 단면적에 따라 전기 저항이 달라집니다.

길이가 길수록 전자가 더 많은 원자들이 충돌하므로 전류가 흐르는 것을 더 방해합니다.

> 도선의 길이가 길수록 전기 저항이 큼

단면적이 넓을수록 전자가 도선의 단면을 쉽게 통과할 수 있으므로 전류가 잘 흐릅니다.

> 도선의 단면적이 넓을수록 전기 저항이 작음


> 전기 저항은 도선의 길이에 비례하고, 단면적에 반비례함.
 

2) 옴의 법칙

전기 회로에서 저항이 일정할 때 전압을 2배, 3배… 로 높이면 전류의 세기도 2배, 3배…가 됩니다. 이처럼 전류의 세기는 전압이 클수록 커집니다.

전압이 일정할 때 전기 저항이 커지면 전류의 세기가 작아지며 이처럼 전류의 세기는 저항이 클수록 작아집니다.


> 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항에 반비례합니다. 이는 전압은 전류가 흐르는 것을 도와주고, 저항은 전류의 흐름을 방해하기 떄문입니다.

이와 같은 옴의 법칙이란 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 설명하는 법칙으로 전류(I)의 세기는 전압(V)에 비례하고, 저항(R)에 반비례합니다.


옴의 법칙은 다음과 같은 방법으로 암기해 볼수있습니다.
  

전압과 전류 관계 그래프로 저항을 비교하면 다음과 같습니다.

3) 전류, 전압, 저항 사이의 관계

다음과 같이 재료를 준비하여 전압에 따른 전류의 세기를 측정하여 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 알아보겠습니다.


1. 긴 니크롬선, 전원 장치, 스위치, 전류계, 전압계를 집게 달린 전선으로 연결
2. 전원 장치를 조절하여 전압을 1.5.V씩 높이면서 긴 니크롬선에 흐르는 전류의 세기를 측정
3. 긴 니크롬선을 짧은 니크롬선으로 바꾸어 과정을 반복


- 니크롬선에 걸리는 전압이 클수록 회로에 흐르는 전류의 세기가 커짐.
- 니크롬선의 길이가 짧을수록(저항이 작을수록) 회로에 흐르는 전류의 세기가 커짐.


 

2-3 저항의 연결

1) 저항의 직렬연결

여러 개의 저항을 한 줄로 연결하는 직렬연결
  

* 각 저항에 흐르는 전류


전류가 흐르는 길이 하나이므로 모든 저항에 흐르는 전류의 세기가 같다.
→ 각 저항에 흐르는 전류의 세기는 전체 전류의 세기와 같다.

* 각 저항에 걸리는 전압

전체 전압이 각 저항에 나누어 걸린다.  V = V₁ + V₂
→ 각 저항에 걸리는 전압은 저항의 크기에 비례한다. V₁ = IR_1, V2 = IR₂

* 전체 저항

저항을 직렬로 연결하면 저항의 길이가 길어지는 효과가 있다.
→ 저항을 많이 연결할수록 전체 저항이 증가한다. R = R₁ + R₂

* 직렬연결의 특징

저항 하나의 연결이 끊어지면?
→ 회로 전체에 전류가 흐르지 않는다.

2) 저항의 병렬연결

여러 개의 저항 양 끝을 이어서 나란히 연결하면 병렬 연결입니다.



* 각 저항에 흐르는 전류

전체 전류가 각 저항으로 나뉘어 흐른다. 
→ 각 저항에 흐르는 전류의 세기는 저항의 크기에 반비례한다. 

* 각 저항에 걸리는 전압

각 저항의 양 끝이 같은 점에 연결되어 있으므로 모든 저항에 걸리는 전압이 같다.
→ 각 저항에 걸리는 전압의 크기는 전체 전압의 크기와 같다. V = V₁ + V₂

* 전체 저항

저항을 병렬로 연결하면 저항의 굵기가 굵어지는 효과가 있다.
→ 저항을 많이 연결할수록 전체 저항이 감소한다.

* 병렬연결의 특징


저항 하나의 연결이 끊어지면?
→ 저항 하나의 연결이 끊어져도 다른 저항에는 전류가 계속 흐른다.
 

3) 직렬연결과 병렬연결의 사용

저항을 연결할 때는 그 쓰임새에 따라 연결 방법을 다르게 해야 합니다.

* 직렬연결의 사용


퓨즈: 전기 기구에 과도하게 센 전류가 흐르면 퓨즈가 끊어져 회로에 전류가 차단되므로 전기 기구를 보호할 수 있다.


화재경보기: 평상시에는 회로가 끊어져 있다가 화재 감지 장치속의 금속이 열을 받아 휘어지면 회로가 연결되어 경보 장치가 작동한다.


장식용 전구: 모든 전구가 함께 꺼지고 켜지며, 하나가 고장 나면 모든 전구에 불이 들어오지 않는다.


* 병렬연결의 사용


멀티탭: 서로 병렬로 연결되어 있어 여러 전기 기구를 함께 연결해도 같은 크기의 전압이 걸린다.


건물의 전기 배선: 건물의 전기 기구는 병렬로 연결되어 있어 각각 따로 켜거나 끌 수 있다.


가로등: 한 개의 가로등이 고장 나도 나머지 가로등에는 영향을 미치지 않는다.



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